[논문]LabVIEW 기반 세포 임피던스 측정시스템 개발

김철; 박정일; 김재영; 조성보; 박정호

LabVIEW 기반 세포 임피던스 측정시스템 개발
Development of LabVIEW-based cell impedance measuring system 원문보기

김철 (고려대학교 마이크로) , 박정일 (고려대학교 전기전자전파공학부) , 김재영 (가천의과학대학교 생명과학과) , 조성보 (가천의과학대학교 의공학과) , 박정호 (고려대학교 마이크로)

본 논문에서는 전극칩에서 배양하는 세포의 활동성을 실시간으로 모니터링 하기 위해 AC 함수발생기와 Lock-in-amplifier (SR 830, Stanford Research System)를 이용하여 개발한 LabVIEW(National Instrument)기반 세포 임피던스 측정시스템을 제안하였다. 대장암 세포인 HT-29를 다 채널 전극칩에서 60시간동안 배양하는 동안 LabVIEW기반 세포 임피던스 측정시스템을 이용해서 인가하는 신호의 주파수와 세포의 배양시간에 따른 세포 임피던스 변화를 관찰하였다. 결과 HT-29 세포가 전극에 안착하고 증식하기 때문에 전극의 임피던스가 증가한다는 이전 연구결과와 일치하는 측정결과를 얻었고, 이 결과를 통해서 제안한 LabVIEW 기반 세포 임피던스 측정시스템이 암세포 연구에 적합하고, 앞으로 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 세포의 임피던스 측정을 위해 LabVIEW와 LIA를 이용한 세포 임피던스 측정시스템을 제안하였다. 제작한 다 채널 전극칩에 대장암 세포인 HT-29 세포를 배양시키며 배양시간과 주파수 변화에 따른 임피던스 변화를 관찰하였다.

제안 방법

1×105개의 HT-29 세포는 다 채널 전극칩 wells에서 60 시간동안 배양하였고, 배양 시간과 주파수 변화에 따른 세포 임피던스는 세포 임피던스 측정 시스템을 이용하여 측정 하였다.
이렇게 변화하는 세포의 전기적 특성을 정확하게 측정하기 위해 세포 임피던스 측정시스템의 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 10 Hz에서 100 kHz까지의주파수 범위와 시간에 따라 전극에 흡착된 세포의 임피던스를 측정하는 시스템을 LabVIEW와 Lock-in-amp (LIA)를 이용하여 개발하였고, 실제 대장암 세포인 HT-29를 다 채널 전극칩에 60 시간 배양시켜 시간과주파수 증가에 따른 세포 임피던스 변화를 관찰하였다.
세포 임피던스 측정하기 위해 10 Hz ~ 100 kHz 주파수 범위와 dulbecco’s modified eagle’s medium(DMEM)을 사용하였다.
1×10⁵개의 HT-29 세포는 다 채널 전극칩 wells에서 60 시간동안 배양하였고, 배양 시간과 주파수 변화에 따른 세포 임피던스는 세포 임피던스 측정 시스템을 이용하여 측정 하였다. 실험이 끝난 후, 전극표면에서 증식한 HT-29 세포의 분포는 금속 현미경(XJM 100)으로 관찰하였다.
본 논문에서는 세포의 임피던스 측정을 위해 LabVIEW와 LIA를 이용한 세포 임피던스 측정시스템을 제안하였다. 제작한 다 채널 전극칩에 대장암 세포인 HT-29 세포를 배양시키며 배양시간과 주파수 변화에 따른 임피던스 변화를 관찰하였다. 10 Hz ~ 100 kHz 주파수 범위에서 배양시간 20 시간과 60 시간일 때 임피던스를 측정하였고, 10 kHz 주파수에서 medium에 의한 임피던스와의 비율이 2.

이론/모형

다 채널 전극칩의 작업전극(working electrode)와 상대전극(counter electrode) 사이에서 전압은 Lock-in-amplifier (LIA)으로 측정하고 국제 표준 통신 방법인 GPIB 통신 방법을 이용하여 측정된 전압을 PC로 전송한다. LIA로 측정된 전압은 매우 작은 스케일의 소신호이기 때문에 LIA 내부 증폭기와 필터에 의해 가공되고 mixer를 통해 LIA 내부 기준 (reference)신호와 섞이게 된다.

성능/효과

제작한 다 채널 전극칩에 대장암 세포인 HT-29 세포를 배양시키며 배양시간과 주파수 변화에 따른 임피던스 변화를 관찰하였다. 10 Hz ~ 100 kHz 주파수 범위에서 배양시간 20 시간과 60 시간일 때 임피던스를 측정하였고, 10 kHz 주파수에서 medium에 의한 임피던스와의 비율이 2.3으로 가장 크게 나타났다. 10 kHz 주파수에서 배양시간에 따른 HT-29 세포의 임피던스를 관찰한 결과 배양시간이 증가할수록 임피던스가 증가하였지만, 세포가 없는 전극에서의 임피던스는 시간에 상관없이 일정한 임피던스를 나타냈다.
3으로 가장 크게 나타났다. 10 kHz 주파수에서 배양시간에 따른 HT-29 세포의 임피던스를 관찰한 결과 배양시간이 증가할수록 임피던스가 증가하였지만, 세포가 없는 전극에서의 임피던스는 시간에 상관없이 일정한 임피던스를 나타냈다. 이 결과는 이전 연구와 일치하는 측정결과로서 제안한 LabVIEW 기반 세포 임피던스 측정시스템이 세포의 임피던스 측정에 적합한 시스템임을 증명해준다.
110 Hz 이전 주파수 영역에서의 측정된 임피던스는 medium 임피던스와 유사하게 측정되었다. 110 Hz 이후 주파수 영역에서 medium에서의 임피던스 대비 측정된 임피던스는 주파수가 증가함에 따라 비율이 증가하기 시작하였고, 두 임피던스의 비율은 10 kHz에서 2.3으로 가장 큰 차이를 보였다. 그림 4는 10 kHz 입력주파수에서 60 시간 동안 HT-29 (1×10⁵ cells)를 배양시키며 실시간으로 측정한 세포 임피던스 그래프이다.
그림 4는 10 kHz 입력주파수에서 60 시간 동안 HT-29 (1×10⁵ cells)를 배양시키며 실시간으로 측정한 세포 임피던스 그래프이다. 그 결과, HT-29 세포 배양 시간에 따라 임피던스는 증가하였다. HT-29 세포가 전극 위에서 증식함에 따라 전극의 표면적을 세포가 덮었고 세포의 지질이중층(lipid bi-layer)과 세포질의 저항성분이 입력전류의 흐름을 방해하기 때문에 임피던스가 증가한 것이다 [2].
10 kHz 주파수에서 배양시간에 따른 HT-29 세포의 임피던스를 관찰한 결과 배양시간이 증가할수록 임피던스가 증가하였지만, 세포가 없는 전극에서의 임피던스는 시간에 상관없이 일정한 임피던스를 나타냈다. 이 결과는 이전 연구와 일치하는 측정결과로서 제안한 LabVIEW 기반 세포 임피던스 측정시스템이 세포의 임피던스 측정에 적합한 시스템임을 증명해준다. 앞으로 LabVIEW 기반 세포 측정 시스템을 이용하여 다양한 암세포의 전기적 특성을 분석하고, 이를 통해 향후 암 조기진단에 이바지 할 것이라 기대된다.

후속연구

이 결과는 이전 연구와 일치하는 측정결과로서 제안한 LabVIEW 기반 세포 임피던스 측정시스템이 세포의 임피던스 측정에 적합한 시스템임을 증명해준다. 앞으로 LabVIEW 기반 세포 측정 시스템을 이용하여 다양한 암세포의 전기적 특성을 분석하고, 이를 통해 향후 암 조기진단에 이바지 할 것이라 기대된다.

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